JPS6385060A - Manufacture of self-supporting ceramic composite material - Google Patents

Manufacture of self-supporting ceramic composite material

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JPS6385060A
JPS6385060A JP62231979A JP23197987A JPS6385060A JP S6385060 A JPS6385060 A JP S6385060A JP 62231979 A JP62231979 A JP 62231979A JP 23197987 A JP23197987 A JP 23197987A JP S6385060 A JPS6385060 A JP S6385060A
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parent metal
filler
reaction product
oxidizing agent
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    • C04B35/65Reaction sintering of free metal- or free silicon-containing compositions
    • C04B35/652Directional oxidation or solidification, e.g. Lanxide process

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Abstract] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、セラミック複合構造体を製造するための新規
な方法に係り、更に詳細には親金属よりの酸化反応生成
物を含む多結晶材料を実質的に同一の一般的なプロセス
により前もって製造された多結晶材料の破砕された粒子
を含む充填材の浸透可能な塊中へ成長させることにより
セラミック複合構造体を製造する方法の改良に係る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a novel method for manufacturing ceramic composite structures, and more particularly to a method for manufacturing ceramic composite structures, and more particularly for manufacturing polycrystalline materials containing oxidation reaction products from a parent metal. The present invention relates to an improvement in the method of manufacturing ceramic composite structures by growing into a permeable mass a filler containing crushed particles of polycrystalline material previously produced by the same general process.

従来の技術 近年金属をセラミックに置換えることの関心が高まって
きており、このことは幾つかの特性に関しセラミックが
金属より優れていることによる。
BACKGROUND OF THE INVENTION There has been increasing interest in replacing metals with ceramics in recent years, due to the superiority of ceramics over metals with respect to several properties.

しかしかかる置換えを行うには、大きさの自由度、複雑
な形状の物品を製造することの難易、最終用途に必要な
特性を充足すること、コストの如く幾つかの既に知られ
た限界や困難がある。これらの限界や困難の多くは、本
願出願人と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願や本
明細書に記載された発明であって、所定形状の複合材料
を含むセラミック材料を信顎性よく製造する新規な方法
を提供する発明により克服されている。
However, there are several known limitations and difficulties in making such replacements, such as size flexibility, difficulty in manufacturing articles with complex shapes, meeting the properties required for the end use, and cost. There is. Many of these limitations and difficulties are addressed in commonly assigned U.S. patent applications and the inventions described herein, in which ceramic materials, including composite materials, in a predetermined shape are not reliable. This problem has been overcome by an invention that provides a new method of manufacturing.

本願出願人と同一の譲受人に譲渡された下記の米国特許
出願には、親金属を酸化させて酸化反応生成物及び随意
の金属成分よりなる多結晶材料を形成することにより自
己支持セラミック塩を製造する新規な方法が記載されて
いる。
The following U.S. patent applications, assigned to the same assignee as the present applicant, disclose the preparation of self-supporting ceramic salts by oxidizing a parent metal to form a polycrystalline material consisting of the oxidation reaction products and optional metal components. A new method of manufacturing is described.

(A)1984年3月16日付けにて出願された米国特
許出願節591,392号の一部継続出願である198
5年2月26日付けの米国特許出願節705.787号
の一部継続出願である1985年9月17日付けの米国
特許出願節776゜964号の一部継続出願である19
86年1月15日付けの米国特許出願節818.943
号。
(A) No. 198, which is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 591,392 filed March 16, 1984;
19, which is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 776.964, dated September 17, 1985, which is a continuation-in-part of U.S. Pat.
U.S. Patent Application Section 818.943 dated January 15, 1986
issue.

(B)1984年7月20日付けの米国特許出願節63
2,636号の一部継続出願である1985年6月25
日付けの米国特許出願節747゜788号の一部継続出
願である1985年9月17日付けの米国特許出願節7
76.965号の一部継続出願である1986年1月2
70付けの米国特許出願節822,999号。
(B) United States Patent Application Section 63 dated July 20, 1984.
June 25, 1985, which is a continuation in part of No. 2,636.
U.S. Patent Application Section 7, filed September 17, 1985, which is a continuation-in-part of U.S. Patent Application Section 747°788, dated September 17, 1985.
No. 76.965, a continuation-in-part application January 2, 1986
No. 70, U.S. Patent Application No. 822,999.

(c)1”)85年2月4日付けの米国特許出願節69
7,876号の一部継続出願である1986年1月17
日付けの米国特許出願節819.397号。
(c)1”) United States Patent Application Section 69 dated February 4, 1985
January 17, 1986, which is a continuation in part of No. 7,876.
No. 819.397, dated U.S. Patent Application No. 819.397.

上述の本願出願人と同一の嬢受入に譲渡された各米国特
許出願の開示内容が参照により本明細書に組込まれたも
のとする。
The disclosures of each of the U.S. patent applications assigned to the same assignee and assignee mentioned above are hereby incorporated by reference.

これらの米国特許出願に於て説明されている如く、新規
な多結晶セラミック材又は多結晶セラミック複合材が、
親金属と気相酸化剤、即ち酸化雰囲気の如き蒸発された
通常ガス状の材料との間の酸化反応により製造される。
As described in these U.S. patent applications, novel polycrystalline ceramic materials or polycrystalline ceramic composites are
It is produced by an oxidation reaction between a parent metal and a vapor phase oxidant, ie, a vaporized, usually gaseous material such as an oxidizing atmosphere.

この方法は前述の米国特許出願(A)に包括的に記載さ
れている。この包括的なプロセスによれば、気相酸化剤
と接触すると反応して酸化反応生成物を形成する溶融親
金属の塊を形成すべく、親金属、例えばアルミニウムが
その融点よりも高く酸化反応生成物の融点よりも低い高
温度に加熱される。この温度に於ては、酸化反応生成物
又はその少くとも一部が溶融親金属の塊及び酸化剤と接
触し且これらの間に延在し、溶融親金属は形成された酸
化反応生成物を経て酸化剤へ向けて吸引又は移送される
。移送された溶融親金属は先に形成された酸化反応生成
物の表面に於て酸化剤と接触すると更に酸化反応生成物
を形成する。このプロセスが継続すると、追加の金属が
かくしτ形成された多結晶酸化反応生成物を経て移送さ
れ、これにより互いに接続されたクリスタライトのセラ
ミック構造体を連続的に成長させる。かくして得られる
セラミック塩は親金属の酸化されていない成分の如き金
属成分や空孔を含んでいる。酸化反応生成物が酸化物で
ある場合には、酸素又は酸素を含をする混合ガス(例え
ば空気)が酸化剤として適しており、明らかに経済的な
理由から一般には空気が好ましい。しかし前述の全ての
米国特許出願及び本明細書に於ては、酸化は広義にて使
用されており、一つ又はそれ以上の元素若しくは化合物
であってよい酸化剤に金属が電子を与え又は酸化剤と電
子を共をすることを意味する。従って後に詳細に説明す
る如く、酸素以外の元素や化合物が酸化剤として作用す
ることがある。
This method is comprehensively described in the aforementioned US patent application (A). According to this comprehensive process, a parent metal, such as aluminum, is heated above its melting point to form a mass of molten parent metal that reacts to form an oxidation reaction product when it comes into contact with a gas-phase oxidant. Heated to a high temperature below the melting point of the substance. At this temperature, the oxidation reaction products, or at least a portion thereof, contact and extend between the molten parent metal mass and the oxidizing agent, and the molten parent metal absorbs the formed oxidation reaction products. through which it is sucked or transferred towards the oxidizer. When the transferred molten parent metal comes into contact with the oxidizing agent on the surface of the previously formed oxidation reaction product, it forms further oxidation reaction products. As this process continues, additional metal is thus transported through the τ-formed polycrystalline oxidation reaction product, thereby continuously growing a ceramic structure of interconnected crystallites. The ceramic salt thus obtained contains metallic components such as unoxidized components of the parent metal and vacancies. If the oxidation reaction product is an oxide, oxygen or a gas mixture containing oxygen (for example air) is suitable as the oxidizing agent, with air generally being preferred for obvious economic reasons. However, in all of the aforementioned U.S. patent applications and herein, oxidation is used in a broad sense, meaning that a metal donates electrons to or oxidizes an oxidizing agent, which may be one or more elements or compounds. It means sharing electrons with the agent. Therefore, as will be explained in detail later, elements or compounds other than oxygen may act as oxidizing agents.

場合によっては、酸化反応生成物の成長に好ましく影響
し又は成長を容易にするために親金属に一種又はそれ以
上のドーパントが存在することが必要とされることがあ
り、ドーパントは親金属の合金成分として与えられる。
In some cases, the presence of one or more dopants in the parent metal may be required to favorably influence or facilitate the growth of oxidation reaction products, and the dopant may be an alloy of the parent metal. given as an ingredient.

例えば親金属としてアルミニウムが使用され、酸化剤と
して空気が使用される場合には、主な種類のドーパント
材の二つのみを例示するとすれば、例えばマグネシウム
やケイ素の如きドーパントがアルミニウムと合金化され
、それが親金属として使用される。得られる酸化反応生
成物はアルミナ、典型的にはα−アルミナを含んでいる
For example, when aluminum is used as the parent metal and air is used as the oxidizing agent, dopants such as magnesium and silicon, to name just two of the main types of dopant materials, are alloyed with the aluminum. , it is used as the parent metal. The resulting oxidation reaction product contains alumina, typically alpha-alumina.

前述の米国特許出願(B)には、ドーパントを必要とす
る親金属についての上述の如き適当な成長条性が一種又
はそれ以上のドーパント材を親金属の表面に適用するこ
とにより創成され、これによりアルミニウムが親金属で
あり、空気が酸化剤である場合には、ドーパント材、例
えばマグネシウム、亜鉛、ケイ素の如き金属にて親金属
を合金化する必要性を排除することができるという発見
に基づく改良が記載されている。この改良によれば、適
宜にドープされた組成物を含有し又は有していない市販
の金属や合金を使用することが可能になる。またこの発
見は、セラミックの成長が分散状態にて生じるのではな
く、親金属の表面の一つ又はそれ以上の所定の領域にセ
ラミック成長を行なわせることができ、これにより親金
属の一つの表面のみ又は一つの表面の一部のみをドープ
することによって、アルミナ製造プロセスをより効率的
に適用することができる点に於ても有利である。
The aforementioned U.S. Patent Application (B) discloses that suitable growth streaks as described above for parent metals requiring dopants are created by applying one or more dopant materials to the surface of the parent metal; Based on the discovery that when aluminum is the parent metal and air is the oxidizing agent, it is possible to eliminate the need to alloy the parent metal with dopant materials, such as metals such as magnesium, zinc, and silicon. Improvements are listed. This improvement makes it possible to use commercially available metals and alloys with or without suitably doped compositions. This discovery also shows that rather than ceramic growth occurring in a dispersed manner, ceramic growth can occur on one or more predetermined regions of the parent metal surface, thereby allowing ceramic growth to take place on one or more predetermined areas of the parent metal surface. It is also advantageous that by doping only or only a portion of one surface, the alumina production process can be applied more efficiently.

前述の米国特許出願(c)には、多結晶のセラミックマ
トリックスにて浸透された実質的に不活性の充填材を含
むセラミック複合構造体を製造するだめに酸化反応を使
用する新規なセラミック複合構造体及びその製造方法が
記載されている。浸透可能な充填材の塊に近接して配置
された親金属が加熱され、これにより酸化反応生成物を
形成するために前述の如く気相酸化剤と反応せしめられ
る溶融親金属の塊が形成される。酸化反応生成物が成長
し隣接する充填材に浸透すると、溶融親金属は先に形成
された酸化反応生成物を経て充填材の塊内へ吸引され、
酸化剤と反応して前述の如く先に形成された酸化反応生
成物の表面に追加の酸化反応生成物を形成する。かくし
て生じる酸化反応生成物の成長により、充填材に酸化反
応生成物が浸透し、即ち充填材が酸化反応生成物中に埋
め込まれ、その結果充填材が多結晶セラミックのマトリ
ックス中に埋め込まれたセラミック複合構造体が形成さ
れる。
The aforementioned U.S. patent application (c) describes a novel ceramic composite structure that uses an oxidation reaction to produce a ceramic composite structure containing a substantially inert filler infiltrated with a polycrystalline ceramic matrix. A body and a method for its production are described. A parent metal disposed proximate to the mass of permeable filler material is heated, thereby forming a mass of molten parent metal that is reacted with a gas phase oxidant as described above to form an oxidation reaction product. Ru. As the oxidation reaction products grow and penetrate into the adjacent filler, the molten parent metal is drawn into the mass of the filler through the previously formed oxidation reaction products;
It reacts with the oxidizing agent to form additional oxidation reaction products on the surface of the previously formed oxidation reaction products as described above. The growth of the oxidation reaction product thus produced causes the filler to be penetrated by the oxidation reaction product, i.e. the filler is embedded in the oxidation reaction product, so that the filler is embedded in the matrix of the polycrystalline ceramic. A composite structure is formed.

かくして上述の本願出願人と同一の譲受人に譲渡された
米国特許出願には、従来のセラミック処理方法によって
は不可能ではないにしても達成することが困難であると
従来より考えられていた所望の寸法及び厚さにまで容易
に成長せしめられる酸化反応生成物を製造することが記
載されている。
Thus, the U.S. patent application, which is assigned to the same assignee as the above-mentioned applicant, is intended to achieve a desired goal that was previously considered to be difficult, if not impossible, to achieve by conventional ceramic processing methods. It has been described to produce oxidation reaction products that can be easily grown to dimensions and thicknesses of .

本発明はセラミック複合材料製品の製造に使用されるよ
う前記方法を更に改善するものである。
The present invention further improves the method for use in manufacturing ceramic composite products.

発明の概要 本発明は、前述の本願出願人と同一の譲受人に譲渡され
た米国特許出願に従って溶融親金属を酸化させることに
より成長せしめられた多結晶の酸化反応生成物を含むセ
ラミックマトリックスにて充填材の浸透可能な塊又は床
を充填することにより多結晶のセラミック複合材料を製
造する改善された方法に関するものである。充填材は前
述の本願出願人と同一の譲受人に譲渡された米国特許出
願に従って製造された多結晶材料の粉砕された粉粒体を
含んでいる。実質的に同一のプロセスにより複合材料製
品に先立って製造されたセラミック材料の実質的な複製
物(必ずしも正確な複製物である必要はない)である充
填材を使用することにより、後に詳細に説明する如く、
向上されたセラミック形成作用及び改善された形態が得
られる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a ceramic matrix containing a polycrystalline oxidation reaction product grown by oxidizing a molten parent metal in accordance with the above-identified commonly assigned U.S. patent application. The present invention relates to an improved method of manufacturing polycrystalline ceramic composite materials by filling with permeable masses or beds of filler. The filler material includes ground granules of polycrystalline material manufactured in accordance with the previously assigned commonly assigned U.S. patent application. By using a filler material that is a substantial replica (but not necessarily an exact replica) of the ceramic material produced prior to the composite product by a substantially identical process, as described in more detail later. As you do,
Improved ceramic forming behavior and improved morphology are obtained.

本発明の実施に於ては、親金属が気相酸化剤の存在下に
て加熱され、これにより浸透可能な充填材の床と接触す
る溶融金属の塊が形成される。酸化反応生成物は溶融金
属が酸化剤と接触することにより形成され、プロセス条
件は形成された酸化反応生成物を経て酸化剤へ向けて溶
融金属を徐々に吸引し、これにより酸化剤と先に形成さ
れた酸化反応生成物との間の界面に酸化反応生成物を連
続的に形成するよう維持される。
In the practice of the present invention, parent metal is heated in the presence of a vapor phase oxidant, thereby forming a mass of molten metal that contacts a bed of permeable filler material. Oxidation reaction products are formed by contact of molten metal with an oxidizing agent, and the process conditions are such that the molten metal is gradually drawn towards the oxidizing agent through the formed oxidation reaction product, thereby The oxidation reaction products are maintained to form continuously at the interface between the formed oxidation reaction products.

加熱工程は親金属の融点よりも高く且酸化反応生成物の
融点よりも低い温度に於て行われ、加熱は所望の大きさ
の多結晶のセラミック塊を製造するに必要な時間に亙り
継続される。セラミック塊は酸化されていない親金属の
如き一種又はそれ以上の金属成分又は空孔又はそれらの
両方を含んでいてよい。
The heating step is carried out at a temperature above the melting point of the parent metal and below the melting point of the oxidation reaction product, and heating is continued for the time necessary to produce a polycrystalline ceramic mass of the desired size. Ru. The ceramic mass may contain one or more metal components, such as an unoxidized parent metal, and/or voids.

本発明の改善点は、この発明の概要の欄に於て説明され
また前述の本願出願人と同一の謙受入に譲渡された米国
特許出願に詳細に記載された酸化反応プロセスに従って
得られた多結晶材料の破砕された曵製物又は粉粒体を充
填材として使用することにより自己支持セラミック複合
材料を得ることができるという発見に基づくものである
。かくして得られた多結晶材料は破砕され粉砕され、好
ましくは浸透可能なプリフォームとして成形された充填
材の塊が親金属の第二の塊に隣接して配置され、かくし
て形成された組立体が酸化反応プロセスに曝される。こ
の反応プロセスは充填材の床の少なくとも一部を第二の
親金属より形成された多結晶の酸化反応生成物にて充填
し、これにより所望の寸法のセラミック複合構造体が得
られるに十分な時間に亙り継続される。
The improvements of the present invention are described in the Summary of the Invention section and described in detail in the aforementioned co-assigned U.S. patent application. It is based on the discovery that self-supporting ceramic composites can be obtained by using crushed agglomerates or granules of crystalline material as fillers. The polycrystalline material thus obtained is crushed and ground, and a mass of filler, preferably shaped as a permeable preform, is placed adjacent to a second mass of parent metal, and the assembly thus formed is Exposure to oxidation reaction processes. The reaction process involves filling at least a portion of the bed of filler with a polycrystalline oxidation reaction product formed from a second parent metal, sufficient to provide a ceramic composite structure of desired dimensions. continues over time.

より詳細には、第二の親金属よりの酸化反応生成物の形
成が充填材の塊へ向けて該充填材の塊内へ生じるよう第
二の親金属が充填材の浸透可能な塊に対し配置され配向
される。酸化反応生成物の成長により充填材の塊に酸化
反応生成物が浸透し、これにより所望のセラミック複合
構造゛体が形成される。充填材は隙間、小孔、又は介在
空間を特徴とする緩く配列され接合されたものであって
よく、充填材の床、即ち塊は気相酸化剤及び酸化反応生
成物の成長に対し浸透性を有している。本明細書に於て
「充填材」とは二つ又はそれ以上の材料よりなる均一な
組成物又は異種混合組成物を意味する。従って充填材は
それと従来の方法により形成された一種又はそれ以上の
他の充填材と混合されたものであってよい。更に複製さ
れた充填材を製造するプロセスに於て使用される親金属
及び酸化剤は、最終的な複合材料製品を製造する際に使
用される親金属及び酸化剤と組成の点で実質的に同一の
ものであっても異なるものであってもよい。
More particularly, the second parent metal is applied to the permeable mass of the filler such that the formation of oxidation reaction products from the second parent metal occurs toward and into the mass of the filler. placed and oriented. The growth of the oxidation reaction products infiltrates the filler mass, thereby forming the desired ceramic composite structure. The filler material may be loosely arranged and bonded, characterized by interstices, pores, or intervening spaces, and the bed or mass of the filler material is permeable to the growth of gas phase oxidants and oxidation reaction products. have. As used herein, the term "filler" refers to a homogeneous composition or a heterogeneous composition of two or more materials. Thus, the filler may be mixed with one or more other fillers formed by conventional methods. Furthermore, the parent metal and oxidizing agent used in the process of producing the replicated filler material are substantially different in composition from the parent metal and oxidizing agent used in producing the final composite product. They may be the same or different.

酸化反応生成物は充填材成分の崩壊や変位を生じること
なく充填材中に成長し、その結果比較的稠密な複合セラ
ミック構造体が高温及び高圧を用いることなく形成され
る。更に本発明の方法によれば、非加圧焼結法がセラミ
ック複合材料の製造に使用される場合に一般に必要とさ
れる条件である化学的及び物理的両立性の必要性が低減
され又は排除される。
The oxidation reaction products grow into the filler without disruption or displacement of the filler components, resulting in a relatively dense composite ceramic structure being formed without the use of high temperatures and pressures. Furthermore, the method of the present invention reduces or eliminates the need for chemical and physical compatibility, which are conditions commonly required when pressureless sintering methods are used to produce ceramic composite materials. be done.

本発明の方法により製造されるセラミック複合材料は非
常に好ましい電気的特徴、摩耗特性、熱的特徴、及び構
造的特徴を有し、もし必要ならば種々の工業的用途を有
する製品とすべく機械加工、研磨、研削等の加工が行わ
れてよい。
The ceramic composite materials produced by the method of the invention have very favorable electrical, wear, thermal, and structural characteristics and, if desired, can be machined into products with various industrial applications. Processing such as machining, polishing, and grinding may be performed.

本明細書に於て使用されている次の各用語はそれぞれ下
記の意味を宵している。
The following terms used in this specification have the following meanings.

「セラミック」とは、古典的な意味、即ち非金属及び無
機質材のみよりなっているという意味でのセラミック塊
に限定されるものとして狭義に解釈されるべきものでは
なく、親金属から誘導され又は酸化剤やドーパントより
生成された一種又はそれ以上の金属成分を少量又は実質
的な量(最も典型的には約1〜40vo1%の範囲内で
あるが、更に大きい含有量であってもよい)含んでいる
としても、組成又は主たる特性に関し優勢的にセラミッ
ク的である塊を指している。
"Ceramic" should not be interpreted narrowly as being limited to ceramic masses in the classical sense, i.e. consisting only of non-metallic and inorganic materials, but is derived from parent metals or A small or substantial amount (most typically in the range of about 1-40 vol. %, but higher amounts may be included) of one or more metal components generated from oxidizing agents and dopants. Refers to a mass that is predominantly ceramic in composition or predominant properties, even if it does contain it.

「酸化反応生成物」とは、金属が電子を他の元素、化合
物又はそれらの組合せに与え又はそれらと共有した任意
の酸化された状態での一種又はそれ以上の金属を意味す
る。従ってこの定義に於ける「酸化反応生成物」は酸素
、窒素、ハロゲン、イオウ、リン、ヒ素、炭素、ボロン
、セレン、テルル、それらの化合物及び組合せ、例えば
メタン、酸素、エタン、プロパン、アセチレン、エチレ
ン、プロピレン、及び空気、H2/ H20,CO/ 
C02の如き混合物(後者の二つ、即ちH2/H20及
びCO/ C02が環境の酸素活量を低減する点に於て
宵月である)の如き酸化剤と一種又はそれ以上の金属と
の反応生成物を含むものである。
"Oxidation reaction product" means one or more metals in any oxidized state in which the metal has donated or shared electrons with other elements, compounds, or combinations thereof. Therefore, "oxidation reaction products" in this definition include oxygen, nitrogen, halogen, sulfur, phosphorus, arsenic, carbon, boron, selenium, tellurium, compounds and combinations thereof, such as methane, oxygen, ethane, propane, acetylene, Ethylene, propylene, and air, H2/ H20, CO/
The reaction of an oxidizing agent, such as a mixture such as CO2 (the latter two, namely H2/H20 and CO/C02, are important in reducing the oxygen activity of the environment) with one or more metals. Contains products.

特定のガスや蒸気を含有する酸化剤を指す「酸化剤」、
「気相酸化剤」などの用語は、同定さたガス又は蒸気が
、使用される酸化雰囲気中に於て得られる条件下に於て
親金属を酸化させる唯一の、又は主要な、又は少くとも
重要な酸化手段であるような酸化剤を意味する。例えば
空気の主要な成分は窒素であるが、酸素は窒素よりも強
力な酸化剤であるので、空気の酸素成分は親金属に対す
る唯一の酸化剤である。従って空気は「酸素を含有する
ガス」の酸化剤の定義に属するが、「窒素を含をするガ
ス」の酸化剤の定義には属さない。
"Oxidizing agent" refers to an oxidizing agent containing a specific gas or vapor,
Terms such as "vapor phase oxidant" mean that the identified gas or vapor is the only, primary, or at least Refers to an oxidizing agent that is an important means of oxidation. For example, the main component of air is nitrogen, but since oxygen is a stronger oxidizing agent than nitrogen, the oxygen component of air is the only oxidizing agent for the parent metal. Therefore, air belongs to the definition of an oxidizing agent as an "oxygen-containing gas" but does not fall under the definition of an oxidizing agent as a "nitrogen-containing gas."

本明細書に於ける「窒素を含有するガス」の酸化剤の一
つの例は、典型的には約96vo1%の窒素及び約4 
 vo1%の水素を含有する「フォーミングガス」であ
る。
One example of an oxidizing agent for "nitrogen-containing gas" herein is typically about 96 vol.
It is a "forming gas" containing VO1% hydrogen.

「親金属」とは、多結晶酸化反応生成物のための前駆体
である例えばアルミニウムの如き金属を意味し、比較的
純粋の金属、不純物若しくは合金化成分を含有する商業
的に入手可能な金属、又はその金属前駆体が主成分であ
る合金を含んでいる。
"Parent metal" means a metal, such as aluminum, that is a precursor for a polycrystalline oxidation reaction product, a relatively pure metal, a commercially available metal containing impurities or alloying components. , or an alloy whose main component is a metal precursor thereof.

またアルミニウムの如き或る特定の金属が親金属と呼ば
れる場合には、その金属は特に断わらない−限りこの定
義にて解釈されなければならない。
Further, when a certain metal such as aluminum is called a parent metal, the metal must be interpreted according to this definition unless otherwise specified.

以下に添付の図を参照しつつ本発明を実施例について詳
細に説明する。
The invention will now be described in detail by way of example embodiments with reference to the accompanying drawings.

実施例 自己支持セラミック複合材料を製造する本発明によれば
、親金属は気相酸化剤の存在下に於て溶融状態に加熱さ
れ、これにより充填材の床又は塊に浸透する酸化反応生
成物が形成される。使用される充填材は実質的に向−の
プロセスにより前もって製造された多結晶材料の破砕さ
れた粒子である。この充填材は、最終の複合材料製品を
製造するためのプロセス中に成長する酸化反応生成物に
対する相性であって、明らかにプロセス条件下に於て同
様の物質の相性に帰することができる相性を有している
。即ち反応生成物をその複製物に成長させる明らかな傾
向がある。この傾向のために、本願発明者等は高い成長
作用を観察しており、従って成長は複製された充填材を
使用しない実質的に同一のプロセスに比して幾分か迅速
に生じる。
EXAMPLE In accordance with the present invention for producing a self-supporting ceramic composite, the parent metal is heated to a molten state in the presence of a vapor phase oxidizing agent, thereby causing the oxidation reaction products to penetrate into the bed or mass of the filler. is formed. The filler used is essentially crushed particles of polycrystalline material previously produced by the process described above. This filler is compatible with the oxidation reaction products that grow during the process to produce the final composite product, a compatibility that can clearly be attributed to the compatibility of similar materials under the process conditions. have. That is, there is a clear tendency for the reaction product to grow into its replica. Because of this trend, we have observed a higher growth effect, so that growth occurs somewhat more rapidly than in a substantially identical process without the replicated filler.

更に本願発明者等は、下記の例に詳細に説明されており
、また1986年1月27日付にて出願され本願出願人
と同一の譲受入に譲渡された米国特許出願節823,5
42号に記載されている如く、形態が改善され、セラミ
ック塊による親金属のパターンの高品質の複製が達成さ
れることを観察している。
In addition, the inventors have filed a patent application no.
As described in No. 42, it has been observed that the morphology is improved and high quality replication of the parent metal pattern by the ceramic mass is achieved.

かかる改善された特性に寄与するものと思われる一つの
因子は、充填材と密に関連するドーパント材が存在する
ことである。例えば酸化反応生成物としてのアルミナが
空気中に於けるアルミニウムの酸化反応により形成され
る場合には、ドーパント材が親金属としてのアルミニウ
ムとの関連又は組合せにて使用される。ドーパント又は
その−部は反応系により消費されず、従って多結晶材料
の一部又は全てに亙り分散された状態になる。がかる場
合には、ドーパント材は多結晶材料の初期界面又は外面
に集中し、或いは酸化反応生成物の微細組織と密に接合
した状態になり、或いは多結晶材料の金属成分と合金化
された状態になる。多結晶材料が充填材として使用され
るよう破砕される場合には、充填材の一部として組込ま
れるドーパント材は最終の複合材料製品の製造に於て有
用なドーパントとして作用する。例えばケイ素が空気中
に於てアルミニウムを酸化反応させるための有用なドー
パントであり、かなりの割合のケイ素が多結晶材料の金
属相と合金化する。かかる多結晶材料はそれが充填材と
して使用される場合には、アルミナ複合材料を製造する
際に使用されるドーパントを内部に含んでいる。
One factor that appears to contribute to such improved properties is the presence of a dopant material in close association with the filler. For example, when alumina as the oxidation reaction product is formed by the oxidation reaction of aluminum in air, the dopant material is used in conjunction or in combination with aluminum as the parent metal. The dopant or portions thereof are not consumed by the reaction system and therefore remain dispersed throughout some or all of the polycrystalline material. In such cases, the dopant material may be concentrated at the initial interface or outer surface of the polycrystalline material, or may be in close contact with the microstructure of the oxidation reaction product, or may be alloyed with the metallic components of the polycrystalline material. become. When the polycrystalline material is crushed for use as a filler, the dopant material incorporated as part of the filler acts as a useful dopant in the manufacture of the final composite product. For example, silicon is a useful dopant for the oxidation reaction of aluminum in air, and a significant proportion of the silicon alloys with the metallic phase of the polycrystalline material. Such polycrystalline materials, when used as fillers, contain dopants used in making alumina composites.

最終的な複合材料製品のための充填材供給源として製造
されるセラミック塊は、必要とされる粒子寸法及び多結
晶材料の組成に応じて、例えば衝撃ミル、ローラミル、
回転クラツシング、又は他の従来の方法により所望の大
きさに破砕される。
The ceramic mass produced as a filler source for the final composite product can be milled, e.g. by impact milling, roller milling, depending on the required particle size and the composition of the polycrystalline material.
It is crushed to the desired size by rotary crushing or other conventional methods.

破砕された材料は充填材として使用すべくサイジングさ
れ回収される。例えばショークラッシャ、ハンマーミル
等により先ずセラミック塊を0. 25〜0 、 51
nch (0、64〜1 、 3 mm)の比較的大き
い粒子に破砕し、しかる後衝撃ミル等によって50メツ
シユ又はそれ以下の微細な粒子に破砕することが好まし
い。粒子は所望の寸法の粒子を得るべく篩分けされる。
The crushed material is sized and recovered for use as filler. For example, a ceramic lump is first crushed to zero using a show crusher, hammer mill, etc. 25-0, 51
It is preferable to crush the particles into relatively large particles of nch (0.64 to 1.3 mm), and then crush them into fine particles of 50 meshes or less using an impact mill or the like. The particles are sieved to obtain particles of desired size.

好ましい充填材の大きさは、製造されるべきセラミック
複合材料及びその最終用途に応じて、100〜500メ
ツシユ又はそれよりも微細な範囲である。
Preferred filler sizes range from 100 to 500 mesh or finer, depending on the ceramic composite to be produced and its end use.

前述の如く、形成される多結晶材料は酸化されていない
親金属の如き金属成分を含んでいる。金属の量は、プロ
セス中に使用される親金属の消費(転換)の程度に大き
く依存して、1〜40vol%及び時にはそれよりも高
い広範囲に亙り変化する。多結晶材料を充填材として使
用する前に、酸化反応生成物より金属の少なくとも一部
、特に比較的大きい部分を分離することが好ましい。か
かる分離は多結晶材料が破砕された後に適宜に行われて
よい。酸化反応生成物は一般に金属よりも容易に破砕さ
れ、従って場合によっては破砕及び篩分けによって二つ
の成分を部分的に分離することができる。
As previously mentioned, the polycrystalline material that is formed includes metallic components such as unoxidized parent metals. The amount of metal varies over a wide range from 1 to 40 vol% and sometimes higher, depending largely on the degree of consumption (conversion) of the parent metal used during the process. Before using the polycrystalline material as a filler, it is preferred to separate at least a portion, especially a relatively large portion, of the metal from the oxidation reaction products. Such separation may be suitably carried out after the polycrystalline material has been crushed. Oxidation reaction products are generally more easily crushed than metals, so that the two components can optionally be partially separated by crushing and sieving.

また充填材中に存在する酸化されていない親金属は粒状
をなし、最終製品を形成する際に使用されると、酸化反
応を受けてセラミックマトリックス中に大きさの点で金
属粒子に対応する空孔を生じる。セラミックマトリック
ス中に分散されたかかる空孔は複合材料に要求される特
性及びその最終用途に応じて好ましい場合もあれば好ま
しくない場合もある。例えば複合材料の断熱性を増大さ
せる場合の如く、最終製品に高体積率の空孔が必要とさ
れる場合には、実質的な量の酸化されていない親金属を
有する充填材を使用することが有利である。(1)特定
の親金属を有する充填材及び(2)比較的純粋の(金属
が除去された)充填材又は他の供給源よりの充填材を含
む充填材の層状の床を形成するだけで、かかる内部に含
まれる小孔を複合材料の一部に制限することができる。
Additionally, the unoxidized parent metal present in the filler is granular, and when used in forming the final product, undergoes an oxidation reaction to create voids in the ceramic matrix that correspond in size to the metal particles. Produces pores. Such pores dispersed in the ceramic matrix may or may not be desirable depending on the properties required of the composite material and its end use. When a high volume fraction of porosity is required in the final product, for example to increase the thermal insulation properties of composite materials, fillers with a substantial amount of unoxidized parent metal may be used. is advantageous. Simply forming a layered bed of filler containing (1) filler with a specific parent metal and (2) filler that is relatively pure (metal removed) or filler from other sources. , the pores contained therein can be confined to a portion of the composite material.

本発明によれば、充填材を製造する際に使用される親金
属は、最終的なセラミック複合材料製品を製造する際に
使用される親金属と実質的に同一であってもよく、また
これとは異なっていてもよい。このことは、これにより
上述の幾つかの利点を有する充填材を使用することが可
能になるという点に於て好ましいが、酸化反応生成物は
最終製品の酸化反応生成物とは化学組成の点に於て異な
る。例えばこの実施例によれば、窒素雰囲気中に於て親
金属としてのアルミニウムを空気にて酸化させることに
より形成されるアルミナ−窒化物のセラミックマトリッ
クス中に充填材として後に使用されるアルミナセラミッ
ク塊を、親金属としてのアルミニウムの酸素雰囲気中に
於ける酸化反応により形成することができる。
According to the present invention, the parent metal used in producing the filler material may be substantially the same as the parent metal used in producing the final ceramic composite product, and may be different from This is advantageous in that it allows the use of fillers that have some of the advantages mentioned above, but the oxidation reaction products are different in chemical composition from the oxidation reaction products of the final product. It differs in For example, according to this embodiment, an alumina ceramic mass, which is later used as a filler, is placed in an alumina-nitride ceramic matrix formed by air oxidation of aluminum as parent metal in a nitrogen atmosphere. , can be formed by an oxidation reaction of aluminum as a parent metal in an oxygen atmosphere.

他の一つの実施例に於ては、最終的な複合材料製品を製
造する際に使用される充填材は、酸化反応プロセスによ
り形成されたセラミック複合材料より誘導され所定の寸
法に破砕され篩分けされたものである。最終製品に対す
る前駆充填材であるセラミック複合材料を製造する際に
使用される充填材は、最終製品の特性を改善し向上させ
るよう選定される。このことは得られる前駆充填材が微
細な複合材料として互いに密に接合された二つの成分よ
りなり又は二つの成分を含むよう、酸化反応生成物とは
組成の点で異なる充填材を選定することにより達成され
る。この実施例によりセラミック複合構造体を製造する
に際しては、第一の親金属供給源及び充填材の浸透可能
な床又は塊が、酸化反応生成物の形成が充填材の床へ向
けて該床内へ生じるよう互いに他に対し配向される。第
一の親金属供給源は気相酸化剤の存在下にて加熱され、
これにより溶融親金属の塊が形成され、該溶融親金属の
塊はこの温度範囲に於て酸化剤と反応し、これにより酸
化反応生成物を形成する。酸化反応生成物は溶融親金属
の塊及び酸化剤と接触し且これらの間に延在し、これに
より酸化反応生成物を経て酸化剤へ向けて、また充填材
の塊内へ溶融金属を徐々に吸引し、これにより酸化反応
生成物が酸化剤と先に形成された酸化反応生成物との間
の界面に連続的に形成される。反応は酸化反応生成物及
び酸化されていない親金属の如き随意の一種又はそれ以
上の金属成分を含む多結晶材料にて充填材の床の少なく
とも一部を充填するに十分な時間に亙り継続される。得
られた多結晶複合材料は第二の充填材として使用される
に適した或る特定の大きさに破砕され、この第二の充填
材(第一の充填材とは組成の点で異なっていてよい)の
浸透可能な塊が、酸化反応生成物の形成がこの第二の充
填材の塊へ向けて該塊内へ生じるよう第二の親金属供給
源に対し配向される。この酸化反応プロセスは上述の如
く繰返され、酸化反応生成物が第二の充填材の塊の少な
くとも一部に浸透し、これにより最終的なセラミック複
合材料製品を形成するに十分な時間に亙り継続される。
In another embodiment, the filler used in manufacturing the final composite product is derived from a ceramic composite formed by an oxidation reaction process, crushed to size, and sieved. It is what was done. Fillers used in producing ceramic composite materials that are precursor fillers for the final product are selected to improve and enhance the properties of the final product. This means selecting a filler that differs in composition from the oxidation reaction product so that the resulting precursor filler consists of or contains two components closely joined together as a fine composite material. This is achieved by In producing a ceramic composite structure according to this embodiment, a first parent metal source and a permeable bed or mass of filler are provided in which the formation of oxidation reaction products is directed toward the bed of filler. oriented relative to each other so as to occur. the first parent metal source is heated in the presence of a gas phase oxidant;
This forms a mass of molten parent metal that reacts with the oxidizing agent in this temperature range, thereby forming an oxidation reaction product. The oxidation reaction product contacts and extends between the mass of molten parent metal and the oxidizer, thereby gradually directing the molten metal through the oxidation reaction product to the oxidizer and into the mass of filler. oxidation reaction products are continuously formed at the interface between the oxidizing agent and the previously formed oxidation reaction products. The reaction is continued for a period of time sufficient to fill at least a portion of the bed of packing material with polycrystalline material comprising the oxidation reaction product and optionally one or more metal components, such as the unoxidized parent metal. Ru. The obtained polycrystalline composite material is crushed to a certain size suitable for use as a second filler, and this second filler (different in composition from the first filler) is crushed. The permeable mass of the second filler material is oriented relative to the second parent metal source such that the formation of oxidation reaction products occurs toward and into the second mass of filler material. This oxidation reaction process is repeated as described above and continues for a sufficient period of time for the oxidation reaction products to penetrate at least a portion of the second filler mass, thereby forming the final ceramic composite product. be done.

本発明のセラミック複合材料製品の特性は、親金属の種
類、充填材の組成、酸化剤の如き因子によって異なる。
The properties of the ceramic composite products of the present invention vary depending on factors such as parent metal type, filler composition, and oxidizing agent.

これらの複合材料に求められる典型的な特性であって調
整することが可能な特性として、硬さ、撓み強さ、破壊
靭性、弾性係数がある。複合材料製品は、一般に、電気
的特性、摩耗特性、熱的特性、構造的特性、又は他の特
性が重要である用途のための工業的、構造的、及び工学
的セラミック塊(これらに限定されるものではない)を
含む商業用の物品として使用されるよう、例えば機械加
工、研磨、研削等により適合化され得るものである。
Typical properties required of these composite materials that can be adjusted include hardness, flexural strength, fracture toughness, and modulus of elasticity. Composite products generally include, but are not limited to, industrial, structural, and engineering ceramic masses for applications where electrical, wear, thermal, structural, or other properties are important. It may be adapted, for example, by machining, polishing, grinding, etc., for use as a commercial article, including (but not limited to)

本明細書に於ては、親金属としてアルミニウム又はアル
ミニウム合金が使用され、アルミナが製造される酸化反
応生成物である系について本発明を説明するが、この説
明は例示のためのものであり、本発明はスズ、ケイ素、
チタン、ジルコニウム等の如き他の金属が親金属として
使用される他の系にも適用可能なものであることに留意
されたい。更に製造される酸化反応生成物は親金属の酸
化物、窒化物、ホウ化物、炭化物等である。 幾つかの
プロセス工程に関し一層詳細に説明するならば、酸化反
応生成物に対する前駆体として親金属(前述の如くトー
プされていてよい)がインゴット、ビレット、棒、板等
に形成され、不活性の床、るつぼ、又は他の耐火容器内
に配置される。
Although the present invention is described herein in terms of a system in which aluminum or an aluminum alloy is used as the parent metal and alumina is the oxidation reaction product produced, this description is for illustrative purposes only. The present invention uses tin, silicon,
It should be noted that other systems in which other metals such as titanium, zirconium, etc. are used as parent metals are also applicable. Furthermore, the oxidation reaction products produced are oxides, nitrides, borides, carbides, etc. of the parent metal. In more detail regarding some of the process steps, a parent metal (which may be toped as described above) is formed into an ingot, billet, rod, plate, etc. as a precursor to the oxidation reaction product, and an inert Placed on the floor, crucible, or other refractory container.

この容器及びその内容物はガス酸化剤が供給される炉内
に配置される。次いで容器及び内容物が酸化反応生成物
の融点よりも低く且親金属の融点よりも高い温度に加熱
される。この温度範囲は例えば気相酸化剤として空気を
使用するアルミニウムの場合には、一般に約850〜1
450℃、好ましくは約900〜1350℃である。こ
の使用可能な温度範囲に於ては、溶融金属の塊、即ちプ
ールが形成され、溶融金属はそれが酸化剤と接触すると
反応して酸化反応生成物の層を形成する。溶融金属は酸
化環境に継続的に曝されると、先に形成された酸化反応
生成物内へ酸化反応生成物を経て酸化剤の方向へ徐々に
吸引される。溶融金属は酸化剤と接触すると反応し、こ
れにより更に酸化反応生成物を形成し、従って多結晶材
料中に金属成分が随意に分散される状態で酸化反応生成
物の厚さを次第に増大する。溶融金属の酸化剤との反応
は、酸化反応生成物が所望の限界又は境界まで成長する
まで継続される。
This container and its contents are placed in a furnace that is supplied with a gas oxidizer. The container and contents are then heated to a temperature below the melting point of the oxidation reaction product and above the melting point of the parent metal. For example, for aluminum using air as the vapor phase oxidant, this temperature range is typically about 850 to 1
450°C, preferably about 900-1350°C. In this usable temperature range, a mass or pool of molten metal is formed which reacts when it comes into contact with an oxidizing agent to form a layer of oxidation reaction products. As the molten metal is continuously exposed to the oxidizing environment, it is gradually drawn into the previously formed oxidizing reaction products and through the oxidizing reaction products toward the oxidizing agent. The molten metal reacts upon contact with the oxidizing agent, thereby forming further oxidation reaction products, thus progressively increasing the thickness of the oxidation reaction products with the metal component optionally dispersed within the polycrystalline material. The reaction of the molten metal with the oxidant is continued until the oxidation reaction products grow to the desired limit or boundary.

前駆充填材として作用するようセラミック複合材料が形
成される実施例に於ては、親金属及び充填材の浸透可能
な塊は、上述の如き酸化反応生成物の成長が充填材へ向
けて生じ、これにより充填材又はその一部に成長する酸
化反応生成物が浸透し、これにより酸化反応生成物中に
埋め込まれるよう互いに隣接して配置され且互いに他に
対し配向される。かくして親金属及び充填材を互いに他
に対し配置し配向することは、ただ単に親金属の塊を粒
状の充填材の床内に配置することにより、又は親金属の
一つ又はそれ以上の塊を充填材の床又は他の組立体上又
はそれに隣接して配置することにより達成されてよい。
In embodiments in which a ceramic composite is formed to act as a precursor filler, the permeable mass of parent metal and filler is such that the growth of oxidation reaction products as described above occurs toward the filler. This allows the oxidation reaction products growing on the filler or a portion thereof to penetrate and thereby be placed adjacent to each other and oriented relative to each other so as to be embedded in the oxidation reaction products. Thus, locating and orienting the parent metal and the filler relative to each other can be accomplished by simply placing a mass of the parent metal within a bed of granular filler, or by placing one or more masses of the parent metal in a bed of granular filler. This may be accomplished by placing it on or adjacent to a bed of filler or other assembly.

充填材の組立体は、酸化反応生成物が成長によって充填
材の少なくとも一部の浸透するよう配列される。充填材
は例えば粉末や他の粒状体、集合体、耐火繊維、管、ホ
イスカ、球、小片又はこれらの組合せ等であってよい。
The assembly of fillers is arranged such that the oxidation reaction products penetrate at least a portion of the filler by growth. The filler may be, for example, a powder or other particulates, aggregates, refractory fibers, tubes, whiskers, balls, pieces or combinations thereof.

更に好適な充填材として、例えば前述の本願出願人と同
一の譲受人に譲渡された米国特許出願に記載されている
如く、アルミナ、マグネシア、ハフニア、ジルコニア、
炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ジルコニウム、窒化チタ
ン等の如き金属酸化物、窒化物、又は炭化物がある。
Further suitable fillers include alumina, magnesia, hafnia, zirconia, as described in the aforementioned co-assigned US patent application,
These include metal oxides, nitrides, or carbides such as silicon carbide, silicon nitride, zirconium nitride, titanium nitride, and the like.

得られる多結晶材料は金属相の部分的な又はほぼ完全な
置換である小孔を有しているが、小孔の体積率は温度、
時間、親金属の種類、ドーパントの濃度の如き条件に大
きく依存する。典型的にはかかる多結晶セラミック構造
体に於ては、酸化反応生成物のクリスタライトは一次元
以上の次元にて、好ましく三次元的に互いに接続されて
おり、金属は少なくとも部分的に互いに接続された状態
にある。
The resulting polycrystalline material has pores that are a partial or almost complete replacement of the metallic phase, but the volume fraction of pores varies depending on temperature,
It is highly dependent on conditions such as time, type of parent metal, and concentration of dopants. Typically in such polycrystalline ceramic structures, the oxidation reaction product crystallites are interconnected in one or more dimensions, preferably three dimensions, and the metals are at least partially interconnected. is in a state of being

次いで多結晶セラミック材料(又は製造される場合には
複合材料)は、最終の複合材料製品を製造する際に充填
材として使用されるよう破砕されサイジングされる。他
の充填材と混合された状態にあってよいこの粒状の充填
材は、浸透可能な床、好ましくは所定の形状のプリフォ
ームに形成される。この床及び第二の親金属は、酸化反
応生成物の形成がその床へ向けてその床内へ生じるよう
互いに他に対し配向される。上述のプロセス工程は実質
的に繰返される。反応プロセスは、酸化反応生成物が充
填材の床の少なくとも一部又はプリフォームの所望の境
界まで浸透し、これによりセラミック複合材料が形成さ
れるに十分な時間に亙り継続される。
The polycrystalline ceramic material (or composite material, if manufactured) is then crushed and sized for use as a filler in manufacturing the final composite product. This particulate filler, which may be mixed with other fillers, is formed into a permeable bed, preferably a preform of a predetermined shape. The bed and the second parent metal are oriented relative to each other such that the formation of oxidation reaction products occurs toward and into the bed. The process steps described above are substantially repeated. The reaction process is continued for a sufficient period of time for the oxidation reaction products to penetrate at least a portion of the bed of filler material or the desired boundaries of the preform, thereby forming a ceramic composite.

本発明の実施に特に有効な一つの方法は、最終の複合材
料製品の所望のジオメトリ−に対応する、型状を有する
プリフォームに充填材を成形することを含んでいる。プ
リフォームは、充填材の特性に応じて、広範囲のセラミ
ック塊形成方法(例えば一方向プレス、平衡プレス、ス
リップキャスティング、沈澱キャスティング、テープキ
ャスティング、射出成形、繊維材料についてのフィラメ
ントワインディング等)の何れにより行われてもよい。
One particularly useful method for practicing the present invention involves molding the filler material into a preform having a shape that corresponds to the desired geometry of the final composite product. The preforms can be produced by any of a wide range of ceramic mass forming methods (e.g. unidirectional pressing, isostatic pressing, slip casting, precipitation casting, tape casting, injection molding, filament winding for fibrous materials, etc.) depending on the properties of the filler. May be done.

浸透に先立って粒子を先ず互いに結合させることが、軽
く焼結することにより、又は複合材料製造プロセスに悪
影響を及ぼしたり完成した材料に好ましからざる副生成
物をもたらすことのない種々の有機又は無機バインダを
使用することにより行われてよい。プリフォームは十分
な形状保持性及び湿態強度を有するよう製造され、酸化
反応生成物の浸透を許すものでなければならず、約5〜
90vo1%、好ましくは約25〜50vo1%の有孔
度を有することが好ましい。また種々の大きさの充填材
の混合物が使用されてもよい。次いでプリフォームはそ
の表面境界までの完全な成長やプリフォーム中への浸透
が行われるに十分な時間に亙りその一つの又はそれ以上
の表面にて溶融親金属と接触せしめられる。
Various organic or inorganic binders that first bind the particles together prior to infiltration by light sintering or that do not adversely affect the composite manufacturing process or introduce undesirable by-products in the finished material. This can be done by using . The preform must be manufactured to have sufficient shape retention and wet strength to permit penetration of oxidation reaction products, and must have a
It is preferred to have a porosity of 90vol%, preferably about 25-50vol%. Mixtures of fillers of various sizes may also be used. The preform is then brought into contact with molten parent metal at one or more of its surfaces for a period of time sufficient to cause complete growth to the surface boundaries and penetration into the preform.

1986年5月°り日付にて出願され本願出願人と同一
の譲受人に譲渡された米国特許出願第861.024号
に記載されている如く、酸化反応生成物が障壁手段を越
えて成長することを防止すべく、充填材又は充填材プリ
フォームとの関連で障壁手段が使用されてもよい。適当
な障壁手段は、本発明のプロセス条件下に於ても或る程
度の一体性を維持し、蒸発せず、気相酸化剤に対し浸透
性を有し、しかも酸化反応生成物がそれ以上継続的に成
長することを局部的に阻止し停止し干渉し又は阻害する
ことのできる任意の材料、化合物、元素、組成物などで
あってよい。親金属がアルミニウムである場合に好適な
障壁手段として、硫化カルシウム(Plaster o
f’ Paris) 、ケイ酸カルシウム、ポートラン
ドセメント、及びそれらの混合物があり、これらは典型
的には充填材の表面にスラリー又はペーストとして適用
される。またこれらの障壁手段は加熱されると消失する
適当な可燃性材料又は揮発性材料を含んでいてよく、又
は障壁手段の多孔性及び浸透性を増大させるべく加熱さ
れると分解する材料を含んでいてよい。更に障壁手段は
プロセス中に発生することがある収縮や割れを低減すべ
く適当な耐火粒子を含んでいてよい。
Oxidation reaction products grow beyond the barrier means, as described in U.S. Patent Application No. 861.024, filed May 1986 and assigned to the same assignee. Barrier means may be used in conjunction with the filler or filler preform to prevent this. Suitable barrier means maintain some degree of integrity under the process conditions of the present invention, do not evaporate, are permeable to the gas phase oxidant, and yet prevent further oxidation reaction products from evaporating. It may be any material, compound, element, composition, etc. that can locally prevent, stop, interfere with, or inhibit continued growth. Calcium sulfide (Plaster o
f' Paris), calcium silicate, Portland cement, and mixtures thereof, which are typically applied as a slurry or paste to the surface of the filler. These barrier means may also include suitable combustible or volatile materials that dissipate when heated, or include materials that decompose when heated to increase the porosity and permeability of the barrier means. It's okay to stay. Additionally, the barrier means may include suitable refractory particles to reduce shrinkage and cracking that may occur during processing.

充填材の床又はプリフォームの熱膨張係数と実質的に同
一の熱膨張係数を有する粒子が特に好ましい。例えばプ
リフォームがアルミナを含み、得られるセラミックがア
ルミナを含む場合には、障壁手段は好ましくは約20〜
1000のメツシュ寸法(これ以上細かくてもよい)を
有するアルミナ粒子と混合されてよい。他の好適な障壁
手段として、少なくとも一端に於て開口し気相酸化剤が
充填材の床に浸透し溶融親金属に接触することを許す耐
火セラミック又は金属製の容器がある。
Particularly preferred are particles that have a coefficient of thermal expansion that is substantially the same as that of the bed of filler or preform. For example, if the preform comprises alumina and the resulting ceramic comprises alumina, the barrier means preferably has a
It may be mixed with alumina particles having a mesh size of 1000 (or even finer). Other suitable barrier means include refractory ceramic or metal containers that are open at at least one end to allow the vapor phase oxidant to penetrate the bed of filler material and contact the molten parent metal.

特に障壁手段との組合せにてプリフォームを使用する結
果として、正味の形状が得られ、これにより高価な最終
的な機械加工又は研削工程を低減し又は排除することが
できる。
As a result of the use of preforms, especially in combination with barrier means, a net shape is obtained, which allows expensive final machining or grinding steps to be reduced or eliminated.

本発明の更に他の一つの実施例として、前述の本願出願
人と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願に記載され
ている如く、親金属との関連でドーパント材を添加する
ことにより酸化反応が好ましい影響を受ける。ドーパン
ト材の機能はドーパント材それ自身以外の多数の因子に
依存する。かかる因子として、例えば特定の親金属、必
要とされる最終製品、二種又はそれ以上のドーパントが
使用される場合に於けるドーパントの特定の組合せ、合
金化されたドーパントとの組合せにて外的に適用される
ドーパントを使用すること、ドーパントの濃度、酸化環
境、プロセス条件等がある。
In yet another embodiment of the present invention, oxidation can be achieved by adding a dopant material in conjunction with the parent metal, as described in the aforementioned co-assigned U.S. patent application. The reaction is favorably influenced. The functionality of a dopant material depends on many factors other than the dopant material itself. Such factors include, for example, the particular parent metal, the required end product, the particular combination of dopants when two or more dopants are used, and the external effects in combination with alloyed dopants. The applicable dopant use, dopant concentration, oxidation environment, process conditions, etc.

親金属との関連で使用されるドーパントは、(1)親金
属の合金成分として与えられてよく、(2)親金属の表
面の少なくとも一部に適用されてもよく、(3)充填材
の床又はプリフォーム又はその一部に適用されてもよく
、又はこれらの方法(1)〜(3)の二つの又はそれ以
上の任意の組合せが採用されてもよい。例えば合金化さ
れたドーパントが外的に適用されたドーパントとの組合
せにて使用されてよい。ドーパントが充填材の床又はプ
リフォームに適用される上述の(3)の場合には、ドー
パントの適用は被覆として又は粒状の形態にてプリフォ
ームの一部又は塊全体(少なくともプリフォームのうち
親金属に隣接する部分を含むことが好ましい)に亙リド
ーパントを分散させる等の適宜な態様にて達成されてよ
い。またドーパントをプリフォームに適用することは、
プリフォームを浸透可能なものにする内部小孔、隙間、
通路、内部空間等を含むプリフォームに対しまたプリフ
ォーム内に一種又はそれ以上のドーパント材の層を適用
することにより達成されてもよい。任意のドーパントを
適用する従来の適宜な方法は、ただ単に充填材の床全体
をドーパント材の液体(例えば溶液)中に浸漬すること
である。
A dopant used in conjunction with a parent metal may (1) be provided as an alloying component of the parent metal, (2) be applied to at least a portion of the surface of the parent metal, and (3) be a filler. It may be applied to the floor or preform or a part thereof, or any combination of two or more of these methods (1) to (3) may be employed. For example, alloyed dopants may be used in combination with externally applied dopants. In case (3) above, where the dopant is applied to the bed of filler or to the preform, the dopant is applied as a coating or in particulate form to part or the entire mass of the preform (at least to the parent part of the preform). This may be achieved in any suitable manner, such as by dispersing the redopant throughout the area (preferably including the portion adjacent to the metal). Applying dopants to the preform also
internal pores, interstices, which make the preform permeable;
This may be accomplished by applying one or more layers of dopant material to and within the preform containing channels, interior spaces, etc. A suitable conventional method of applying any dopant is simply to immerse the entire bed of filler material in a liquid (eg, solution) of the dopant material.

前述の如く、ドーパントは最終的な複合材料製品を製造
する際に使用される充填材中に組込まれてもよい。また
第二のドーパント供給源が、親金属の表面の少なくとも
一部とプリフォームとの間にてこれらに接触した状態に
ドーパントの剛固な塊を配置することにより与えられて
よい。例えば親金属としてのアルミニウムの酸化に有用
なドーパントであるケイ素含有ガラスの薄いシートが親
金属の表面に配置されてよい。ケイ素含有ガラスが載置
された親金属アルミニウム(Mgにて内的にドープされ
ていてよい)が酸化環境に於て溶融されると(例えばア
ルミニウムの場合には空気中に於て約850〜1450
℃、好ましくは約900〜1350℃)、浸透可能なプ
リフォーム中へ多結晶のセラミック材料の成長が開始す
る。ドーパントが親金属の表面の少なくとも一部に対し
外的に適用される場合には、多結晶の酸化反応生成物は
実質的にドーパント層を越えて(即ち適用されたドーパ
ント層の厚さを越えて)浸透可能なプリフォーム内に於
て成長する。何れの場合にも、−種又はそれ以上のドー
パントが親金属の表面若しくは浸透可能なプリフォーム
に外的に適用されてよい。更に親金属内に合金化された
ドーパント若しくは親金属に外的に適用されたドーパン
トはプリフォームに適用されたドーパントにより補助さ
れてよい。かくして親金属内に合金化され若しくは親金
属に外的に適用されたドーパントの濃度が不足していて
も、そのことはプリフォームに適用されるドーパントに
より補償され、逆にプリフォームに適用されるドーパン
トの濃度が低くても、このことが親金属内に合金化され
若しくは親金属に外的に適用されるドーパントにより補
償される。
As previously mentioned, dopants may be incorporated into the fillers used in manufacturing the final composite product. A second source of dopant may also be provided by placing a rigid mass of dopant between and in contact with at least a portion of the surface of the parent metal and the preform. For example, a thin sheet of silicon-containing glass, which is a useful dopant for the oxidation of aluminum as a parent metal, may be placed on the surface of the parent metal. When the parent metal aluminum (which may be internally doped with Mg) on which a silicon-containing glass is fused is melted in an oxidizing environment (e.g., in the case of aluminum, the
℃, preferably about 900-1350 degrees Celsius), the growth of polycrystalline ceramic material into the permeable preform begins. When the dopant is applied externally to at least a portion of the surface of the parent metal, the polycrystalline oxidation reaction product extends substantially beyond the dopant layer (i.e., beyond the thickness of the applied dopant layer). ) grown in a permeable preform. In either case, one or more dopants may be applied externally to the surface of the parent metal or to the permeable preform. Additionally, dopants alloyed within the parent metal or dopants applied externally to the parent metal may be assisted by dopants applied to the preform. Thus, any deficiency in the concentration of dopant alloyed within the parent metal or applied externally to the parent metal is compensated for by the dopant applied to the preform, and vice versa. Even if the concentration of dopants is low, this can be compensated for by dopants alloyed into the parent metal or applied externally to the parent metal.

特に酸化剤として空気が使用される場合に於て親金属と
してのアルミニウムに有用なドーパントとして、例えば
互いに他のドーパントとの組合せ又は後に説明する他の
ドーパントとの組合せに於けるマグネシウム、亜鉛、゛
及びケイ素がある。これらの金属又はその適当な供給源
が、それぞれ得られるドープされた金属の総重量を基準
に約0゜1〜10vt%の濃度にてアルミニウムをベー
スとする親金属中に合金化されてよい。この範囲の濃度
はセラミックの成長を開始させ、金属の移送を向上°さ
せ、得られる酸化反応生成物の成長形態に好ましく影響
するものと考えられる。任意の一つのドーパントについ
ての濃度範囲はドーパントの組合せやプロセス温度の如
き因子に依存する。
Useful dopants for aluminum as the parent metal, especially when air is used as the oxidizing agent, include magnesium, zinc, etc., in combination with each other or with other dopants described below. and silicon. These metals, or a suitable source thereof, may be alloyed into the aluminum-based parent metal at a concentration of about 0.1 to 10 vt%, each based on the total weight of the resulting doped metal. Concentrations in this range are believed to initiate ceramic growth, improve metal transport, and favorably influence the growth morphology of the resulting oxidation reaction products. The concentration range for any one dopant depends on factors such as dopant combination and process temperature.

アルミニウムをベースとする親金属について多結晶の酸
化反応生成物の成長を促進させるのに有効である他のド
ーパントとして、特にマグネシウムや亜鉛との組合せに
て使用される場合に於けるゲルマニウム、スズ、及び鉛
がある。これらの他のドーパントの一種又はそれ以上又
はそれらの適当な供給源がそれぞれ合金全体の約0.5
〜15wt%の濃度にてアルミニウムの親金属系中に合
金化されるが、より一層好ましい成長作用及び成長形態
は親金属合金全体の約1〜10νt%の範囲のドーパン
ト濃度に於て得られる。ドーパントとしての鉛は一般に
アルミニウム中に於ける鉛の溶解度が低いことを補償す
べく少なくとも1000℃の温度に於てアルミニウムを
ベースとする親金属中に合金化されるが、スズの如き他
の合金元素の添加は一般に鉛の溶解度を増大させ、これ
により合金元素が比較的低い温度に於て添加されること
を可能にする。
Other dopants that are effective in promoting the growth of polycrystalline oxidation reaction products for aluminum-based parent metals include germanium, tin, especially when used in combination with magnesium and zinc. and lead. One or more of these other dopants or a suitable source thereof each accounts for about 0.5 of the total alloy.
Although alloyed in the parent metal system of aluminum at concentrations of ˜15 wt %, even more favorable growth behavior and morphology are obtained at dopant concentrations ranging from about 1 to 10 vt % of the total parent metal alloy. Lead as a dopant is generally alloyed into an aluminum-based parent metal at temperatures of at least 1000°C to compensate for the low solubility of lead in aluminum, but other alloys such as tin The addition of elements generally increases the solubility of lead, thereby allowing alloying elements to be added at relatively low temperatures.

前述の如く、一種又はそれ以上のドーパントが状況に応
じて使用されてよい。例えば親金属がアルミニウムであ
り、酸化剤が空気である場合には、特に有用なドーパン
トの組合せとして、(a)マグネシウムとケイ素、又は
(b)マグネシウムと亜鉛とケイ素がある。かかる例に
於ては、好ましいマグネシウムの濃度は約0.1〜3v
t%の範囲にあり、亜鉛の好ましい濃度は約1〜6wt
%の範囲にあり、ケイ素の好ましい濃度は約1〜10v
t%の範囲にある。
As mentioned above, one or more dopants may be used depending on the circumstances. For example, when the parent metal is aluminum and the oxidizing agent is air, particularly useful dopant combinations include (a) magnesium and silicon, or (b) magnesium, zinc, and silicon. In such instances, the preferred concentration of magnesium is about 0.1-3v
t%, with the preferred concentration of zinc being about 1-6 wt.
%, with the preferred concentration of silicon being about 1-10v
It is in the range of t%.

親金属がアルミニウムである場合に有用なドーパント材
の他の例として、ナトリウム、リチウム、カルシウム、
ボロン、リン、イツトリウムがあり、これらは酸化剤及
びプロセス条件に応じてそれぞれ単独で又は一種又は他
のドーパントとの組合せにて使用されてよい。ナトリウ
ム及びリチウムは非常に少量、典型的には約100〜2
00 ppmにて使用されてよく、それぞれ単独で又は
互いに組合されて又は他のドーパントとの組合せにて使
用されてよい。セリウム、ランタン、プラセオジム、ネ
オジム、サマリウムの如き希土類元素も有用なドーパン
トであり、特に他のドーパントとの組合せにて使用され
る場合にを用である。 前述の如く、ドーパント材を親
金属中に合金化する必要はない。例えば親金属の全ての
表面又はその一部に対し一種又はそれ以上のドーパント
材を薄い層として選択的に適用することにより、親金属
の表面又はその一部より局部的にセラミックを成長させ
ることかでき、多結晶のセラミックを浸透可能な床又は
プリフォームの所定の領域中に成長させることができる
。かくして多結晶のセラミックの成長を親金属の表面上
にドーパント材を局部的に配置することにより制御する
ことができる。適用されるドーパントの被覆又は層は親
金属の塊の厚さに比して小さく、浸透可能な床又はプリ
フォーム中へ成長する酸化反応生成物は実質的にドーパ
ントの層を越えて、即ち適用されたドーパントの層の厚
さを越えて延在する。ドーパント材のかかる層は塗布、
どぶ漬け、シルクスクリーン法、蒸着、又はドーパント
材を液体又はペーストの状態にて適用する他の方法、又
は溶射、又はただ単に固体粒状のドーパントの層又はド
ーパントの固体の薄いシート即ち膜を親金属の表面上に
配置する等の方法により適用されてよい。ドーパント材
は有機又は無機バインダ、ビヒクル、溶媒、若しくはシ
ックナーを含んでいてもよい。より詳細には、ドーパン
ト材は粉末として親金属の表面に適用され、又は充填材
の少なくとも一部に分散される。ドーパントを親金属の
表面に適用する一つの特に好ましい方法は、接着被覆を
得るべく親金属の表面上′に噴霧される水及び有機バイ
ンダの混合物中に分散されたドーパントの液体分散液を
使用することであり、この方法によれば処理前に於ける
ドープされた親金属の取扱いが容易になる。
Other examples of useful dopant materials when the parent metal is aluminum include sodium, lithium, calcium,
These include boron, phosphorus, and yttrium, each of which may be used alone or in combination with one or other dopants, depending on the oxidizing agent and process conditions. Sodium and lithium are present in very small amounts, typically about 100-2
00 ppm, each alone or in combination with each other or with other dopants. Rare earth elements such as cerium, lanthanum, praseodymium, neodymium, and samarium are also useful dopants, especially when used in combination with other dopants. As mentioned above, there is no need to alloy the dopant material into the parent metal. For example, by selectively applying one or more dopant materials as a thin layer to all or a portion of the parent metal surface, the ceramic may be grown locally over the parent metal surface or a portion thereof. and polycrystalline ceramics can be grown in predetermined areas of the permeable bed or preform. Thus, the growth of polycrystalline ceramics can be controlled by localized placement of dopant materials on the surface of the parent metal. The coating or layer of dopant applied is small compared to the thickness of the parent metal mass, and the oxidation reaction products that grow into the permeable bed or preform substantially extend beyond the layer of dopant, i.e. extending beyond the thickness of the dopant layer. The layer containing the dopant material is coated,
Dipping, silk-screening, vapor deposition, or other methods of applying the dopant material in liquid or paste form, or thermal spraying, or simply applying a layer of solid particulate dopant or a solid thin sheet or film of dopant to the parent metal. It may be applied by a method such as placing it on the surface of. Dopant materials may include organic or inorganic binders, vehicles, solvents, or thickeners. More particularly, the dopant material is applied as a powder to the surface of the parent metal or dispersed in at least a portion of the filler. One particularly preferred method of applying the dopant to the surface of the parent metal uses a liquid dispersion of the dopant dispersed in a mixture of water and an organic binder that is sprayed onto the surface of the parent metal to obtain an adhesive coating. This method facilitates handling of the doped parent metal prior to processing.

外的に使用されるドーパント伺は、一般に、均一な被覆
として親金属の表面の一部に適用される。
Externally used dopants are generally applied as a uniform coating to a portion of the surface of the parent metal.

ドーパントの量はそれが適用される親金属の量に比して
広い範囲の値であってよく、親金属がアルミニウムであ
る場合には、ドーパントの上限値及び下限値を実験によ
って求めることができなかった。例えばアルミニウムを
ベースとする親金属に対しドーパントとして外的に適用
される二酸化ケイ素の形態にてケイ素を使用し、酸化剤
として空気又は酸素を使用する場合には、マグネシウム
若しくは亜鉛の供給源を有する第二のドーパントと共に
、親金属1g当たり0.00003gのケイ素又は親金
属の露呈された面の1 cJ当たり約0゜0001gの
ケイ素が使用されると、多結晶セラミック成長現象が生
じる。また酸化されるべき親金属1g当たり約0.00
08gのMg以」二であり、MgOが適用される親金属
の表面の1c−当たり0.003gのMg以上の量にて
ドーパントとしてのMg Oを使用すれば、酸化剤とし
て空気又は酸素を使用してケイ素を含有するアルミニウ
ムの親金属よりセラミック構造体を形成し得ることが解
った。或る程度までドーパント材の量が増大するとセラ
ミック複合材を製造するに要する反応時間が減少するが
、このことはドーパントの種類、親金属、反応条件の如
き因子に依存している。
The amount of dopant may have a wide range of values compared to the amount of parent metal to which it is applied; if the parent metal is aluminum, upper and lower dopant limits can be determined experimentally. There wasn't. If silicon is used in the form of silicon dioxide applied externally as a dopant to the parent metal, e.g. based on aluminium, and air or oxygen is used as the oxidizing agent, it has a source of magnesium or zinc. When 0.00003 g of silicon per gram of parent metal or about 0.0001 g of silicon per cJ of exposed surface of the parent metal is used with the second dopant, polycrystalline ceramic growth phenomena occur. Also, about 0.00 per gram of parent metal to be oxidized
If MgO is used as a dopant in an amount of 0.08 g Mg or more and 0.003 g Mg or more per 1 c of the surface of the parent metal to which MgO is applied, air or oxygen can be used as an oxidizing agent. It has been found that ceramic structures can be formed from silicon-containing aluminum parent metals. Increasing the amount of dopant material to a certain extent reduces the reaction time required to produce the ceramic composite, but this is dependent on factors such as dopant type, parent metal, and reaction conditions.

親金属がマグネシウムにて内的にドープされたアルミニ
ウムであり、酸化媒体が空気又は酸素である場合には、
マグネシウムは約820〜950℃の温度に於て合金よ
り少くとも部分的に酸化されることが認められた。マグ
ネシウムにてドープされた親金属アルミニウム系のかか
る場合には、マグネシウムは溶融アルミニウム合金の表
面に於いて酸化マグネシウム若しくはアルミン酸マグネ
シウムスピネル相を形成し、アルミナの成長プロセス中
かかるマグネシウム化合物は主として成長するセラミッ
ク構造体中の親金属合金の最初の酸化物表面(II!I
]ち酸化開始面)に残存する。従ってかかるマグネシウ
ムにてドープされた親金属アルミニウム系に於ては、ア
ルミナをベースとする構造体は酸化開始面に存在するア
ルミン酸マグネシウムスピネルの比較的薄い層とは別に
形成される。
When the parent metal is aluminum internally doped with magnesium and the oxidizing medium is air or oxygen,
Magnesium was found to be at least partially oxidized than the alloy at temperatures of about 820-950°C. In such cases of parent metal aluminum systems doped with magnesium, the magnesium forms a magnesium oxide or magnesium aluminate spinel phase at the surface of the molten aluminum alloy, and during the alumina growth process such magnesium compounds primarily grow. The initial oxide surface of the parent metal alloy in the ceramic structure (II!I
] remains on the oxidation initiation surface). Therefore, in such magnesium-doped parent metal aluminum systems, the alumina-based structure is formed separately from the relatively thin layer of magnesium aluminate spinel present at the oxidation initiation surface.

もし必要ならば、この酸化開始面は粉砕工程前に多結晶
セラミック製品を研削、機械加工、研磨又はグリッドプ
ラストすることにより容易に除去される。
If necessary, this oxidation initiation surface is easily removed by grinding, machining, polishing or grid blasting the polycrystalline ceramic article before the milling process.

以下の例は本発明の方法及びその実施結果を説明するも
のである。
The following examples illustrate the method of the invention and the results of its implementation.

例1 本発明の成長されたセラミック複合材料のための充填材
が、前述の本願出願人と同一の譲受人に譲渡された米国
特許出願に記載された方法に従って形成されたセラミッ
ク塊を破砕し粉砕することにより形成された。詳細には
、市販のアルミニウム合金(後に更に説明する合金38
0.1の僅かに純度の低いもの)の棒がアルミニウムの
親金属を完全に反応させるに十分な時間である72時間
に亙り1080℃にて空気中に於て酸化されることによ
りセラミックに転換された。このプロセス中には、アル
ミニウム合金の棒はアルミナ粒子(Norton E−
I AIundua+、 90メツシユ)の床内に支持
され、酸化は金属の露呈された面より空気雰囲気へ向け
て生じた。周囲温度に冷却後、成長したセラミック片が
それに緩く接着する床の粒子より分離され、露呈されて
いない金属面上に成長した薄い酸化物表皮より分離され
、また床中に残存する残留金属より分離された。
Example 1 The filler for the grown ceramic composite of the present invention is obtained by crushing and pulverizing a ceramic mass formed according to the method described in the above-mentioned commonly assigned U.S. patent application. was formed by In detail, commercially available aluminum alloys (Alloy 38, which will be further described below)
Bars of slightly lower purity (0.1) are converted to ceramic by being oxidized in air at 1080°C for 72 hours, a time sufficient to fully react the aluminum parent metal. It was done. During this process, the aluminum alloy rod is mixed with alumina particles (Norton E-
The oxidation occurred from the exposed surface of the metal towards the air atmosphere. After cooling to ambient temperature, the grown ceramic pieces are separated from the bed particles that loosely adhere to them, separated from the thin oxide skin that has grown on the unexposed metal surfaces, and separated from any residual metal remaining in the bed. It was done.

これらの成長したセラミック片は破砕及び粉砕の組合せ
により複合材料充填材として使用されるよう粒子に転換
された。詳細にはセラミック片は先ずショークラッシャ
により0.25inch(0゜64 cm)の最大粒子
寸法に破砕され、次いで乾燥振動ミルにより24時間に
亙り更に粒子寸法が低減された。得られた粉末は複合材
料充填材の用途に使用される一100/+200メツシ
ュの粉末を分離すべく篩分けされた。
These grown ceramic pieces were converted into particles for use as composite fillers by a combination of crushing and milling. Specifically, the ceramic pieces were first crushed in a show crusher to a maximum particle size of 0.25 inches (0.64 cm) and then further reduced in particle size in a dry vibratory mill for 24 hours. The resulting powder was sieved to separate the -100/+200 mesh powder used in composite filler applications.

比較材として、14メツシユの粒子寸法を有する溶融さ
れたアルミナ粒子(NorLon 38 Alundu
m )がロールクラッシャ中にて破砕され、ドライボー
ルミルにて粉砕され、−100/+200メツシユの粉
末、即ち成長せしめられ破砕された充填材について選定
された粒子寸法と同一の粒子寸法の粉末を分離すべく篩
分けされた。
As a comparison material, fused alumina particles (NorLon 38 Arundu
m) is crushed in a roll crusher and ground in a dry ball mill to separate a -100/+200 mesh powder, i.e. a powder with particle size identical to that selected for the grown and crushed filler. It was carefully sieved.

比較の目的でこれらの二種類の充填材を使用してセラミ
ック複合塊が形成された。二つの高アルミナ耐火受皿が
、酸化反応プロセスに対する障壁として作用する材料で
あるケイ灰石の一つの層にて約0. 5inch(1,
3cm)の深さまで先ず充填された。次いでアルミニウ
ム合金380.1よりなる9X2X0.5inch(2
3X5.IXl、3cIll)の棒が各受皿内のケイ灰
石の層上に配置された。このアルミニウム合金はアルミ
ニウムに加えて公称で約7.5〜9.5wt%St 、
3.0〜4゜OvL%Cu 、 〜2. 9wt%Zn
、 〜l、Ovt%Fe、〜0.5vt%Ml 、 〜
0. 5vt%N11〜o。
Ceramic composite masses were formed using these two types of fillers for comparison purposes. Two high alumina refractory saucers are coated with a layer of wollastonite, a material that acts as a barrier to the oxidation reaction process. 5inch(1,
It was first filled to a depth of 3 cm). Next, a 9X2X0.5 inch (2
3X5. IXl, 3cIll) rods were placed on the wollastonite layer in each saucer. In addition to aluminum, this aluminum alloy nominally contains about 7.5 to 9.5 wt%St,
3.0-4°OvL%Cu, ~2. 9wt%Zn
, ~l, Ovt%Fe, ~0.5vt%Ml, ~
0. 5vt%N11~o.

35wL%S n s 〜0 、 1 wt%Mgを含
有しているが、この試験に於て使用された380.1合
金の他のサンプルは約0,17〜0.18wt%のMg
を含有していることが認められた。このことはマグネシ
ウムが酸化反応の優れたドーパント、即ち促進元素であ
るので公称の仕様よりの重要な修正である。次いでアル
ミニウム合金の棒は底面を除く全ての面に於て充填材の
粒子にて少な(とも約0 、 51nch (1、30
m)の深さまで囲繞された。
The other samples of 380.1 alloy used in this test contained approximately 0.17 to 0.18 wt% Mg, whereas the other samples of 380.1 alloy used in this test contained approximately 0.17 to 0.18 wt% Mg.
was found to contain. This is an important modification from the nominal specifications since magnesium is an excellent dopant or promoter of oxidation reactions. Next, the aluminum alloy rod had a small number of filler particles (approximately 0 and 51 nch (1, 30 nch) on all sides except the bottom surface).
surrounded to a depth of m).

この場合一方の受皿については成長せしめられ破砕され
た充填材が使用され、他方の受皿については溶製された
アルミナ充填材が使用された。
In this case, a grown and crushed filler was used for one pan, and a molten alumina filler was used for the other pan.

次いで上述の如く充填された耐火受皿が空気炉内に配置
され、5時間かけて1000℃に加熱し、その温度に6
0時間維持し、5時間かけて炉冷する加熱サイクルを使
用して1000℃の温度に加熱された。次いで成長せし
められたセラミック複合材料が障壁及び残存する床材料
より分離され、またそれに緩く接着する粒子が軽くグリ
ッドブラスティングを行うことにより除去された。
The refractory saucer filled as described above was then placed in an air oven, heated to 1000°C over 5 hours, and then heated to that temperature for 6 hours.
It was heated to a temperature of 1000° C. using a heating cycle of 0 hours hold and 5 hours furnace cooling. The grown ceramic composite was then separated from the barrier and remaining bed material, and any particles loosely adhered thereto were removed by light grid blasting.

耐火受皿及びその内容物の重量をアルミニウム合金の最
初の重量にて除算した値の変化として二つのサンプルに
ついて求められた重量増のデータの分析により、各充填
材中にほぼ等量の反応が生じていることが解った。特に
酸素増大量は成長せしめられ破砕された充填材について
は59%であり、溶製されたアルミナ充填材については
56%であった。しかし第1A図及び第1B図の比較よ
り解る如く、成長せしめられ破砕された充填材中への成
長はかなり均一なものであり、このことは一つの重要な
処理上の利点である。
Analysis of the weight gain data, determined for the two samples as the change in the weight of the refractory saucer and its contents divided by the initial weight of the aluminum alloy, revealed that approximately equal amounts of reaction occurred in each filler. I understand that it is. Specifically, the oxygen increase was 59% for the grown and crushed filler and 56% for the melted alumina filler. However, as can be seen from the comparison of Figures 1A and 1B, the growth into the grown and fractured filler is fairly uniform, which is an important processing advantage.

二種類の材料より得られた標本について求められた機械
的性質は、下記の表1に要約されている如く互いに大き
く異なっていることが解る。この表に於て、弾性係数は
音速法により測定され、破壊靭性は通常のシェブロン切
欠き試験に於て測定され、破断係数は4点曲げ試験に於
て求められた。
It can be seen that the mechanical properties determined for the specimens obtained from the two types of materials are significantly different from each other, as summarized in Table 1 below. In this table, the elastic modulus was determined by the sonic method, the fracture toughness was determined by a conventional chevron notch test, and the modulus of rupture was determined by a four-point bending test.

この表に示されたデータは成長せしめられ破砕された充
填材中へ成長させることにより形成された材料が機械的
性質の点で明らかに優れていることを示している。
The data presented in this table show that the material formed by growth into a grown and fractured filler is clearly superior in terms of mechanical properties.

表  1 充  填  材 特  性   成長及び破砕 溶製アルミナ硬さ*  
        84      71弾性係数   
   316    202(GPa) 破壊靭性     4.67   2.74(M P 
a−m階) 破断係数      256     67(MPa) *・・・・・・ロックウェルA硬さ 例2 最終的なセラミック複合塊の成長が例1に於ける380
.1合金ではなく99.7%の純アルミニウムを親金属
として使用して行われた点を除き、例10手続きが上述
の如く繰返された。この場合成長は成長せしめられ破砕
された充填材中へ容易に生じ、例1の如く測定して65
%の重量増を生じ、また第2A図に示されている如き非
常に均一な成長形態を示した。これに対し溶製されたア
ルミナ充填材中にはセラミックの成長が発生せず、第2
B図に示されたこの標本については重量増は負の値であ
り、受皿及び床の材料より少量の揮発成分がなくなった
ことを示している。かくしてこの例に於ては、成長せし
められ破砕された充填材中へのセラミックマトリックス
の成長は従来の溶製されたアルミナ粒子中への成長に比
して明らかに好ましいものであった。成長せしめられ破
砕された充填材中へ成長させることにより得られた複合
材料の機械的性質は例1に於て製造された同一の充填材
を用いて製造された材料の機械的性質と非常に似ている
か又はそれよりも作かに高い値であった。
Table 1 Filling material properties Growth and crushing Molten alumina hardness*
84 71 elastic modulus
316 202 (GPa) Fracture toughness 4.67 2.74 (M P
a-m floors) Modulus of rupture 256 67 (MPa) *...Rockwell A hardness Example 2 The growth of the final ceramic composite lump is 380 in Example 1
.. The Example 10 procedure was repeated as described above, except that 99.7% pure aluminum was used as the parent metal instead of the 1 alloy. In this case, growth occurs easily into the grown and crushed filler, and as measured as in Example 1, 65
% weight gain and a very uniform growth pattern as shown in Figure 2A. On the other hand, no ceramic growth occurs in the melted alumina filler, and secondary
For this specimen shown in Figure B, the weight gain is negative, indicating that less volatile components were lost than the saucer and bed materials. Thus, in this example, the growth of the ceramic matrix into the grown and crushed filler was clearly preferable to the growth into the conventional smelted alumina particles. The mechanical properties of the composite material obtained by growing into the grown and crushed filler are very similar to those of the material produced using the same filler produced in Example 1. The values were similar or even higher.

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。
Although the present invention has been described in detail with respect to specific embodiments above, the present invention is not limited to such embodiments, and various other embodiments are possible within the scope of the present invention. This will be clear to those skilled in the art.

【図面の簡単な説明】 第1A図は成長せしめられ破砕されたアルミナ粒子の床
内ヘアルミニウム合金380.1の親金属を酸化させる
ことにより1すられた標本の外に現われた成長形態を示
す外観写真である。 第1B図は溶製されたアルミナの粒子の床内ヘアルミニ
ウム合金380.1の親金属を酸化させることにより得
られた標本の外に現われた成長形態を示す外観写真であ
る。 第2A図は成長せしめられ破砕されたアルミナの粒子の
床内へ99.796の純アルミニウムの親金属を酸化さ
せることにより得られた標本の外に現われた成長形態を
示す外観写真である。 第2B図は溶製されたアルミナの粒子の床内へ99.7
%の純アルミニウムの親金属を酸化させることにより得
られた標本の外に現われた成長形態を示す外観写真であ
る。
[Brief Description of the Drawings] Figure 1A shows the growth form that appears outside of a specimen prepared by oxidizing the parent metal of aluminum alloy 380.1 within the bed of grown and crushed alumina particles. This is an exterior photo. FIG. 1B is an external photograph showing the growth morphology appearing outside of a specimen obtained by oxidizing the parent metal of aluminum alloy 380.1 in a bed of ingot alumina particles. FIG. 2A is an exterior photograph showing the growth morphology appearing outside of a specimen obtained by oxidizing parent metal of 99.796 pure aluminum into a bed of grown and crushed alumina particles. Figure 2B shows 99.7% of the melted alumina particles entering the bed.
3 is an external photograph showing the growth form that appeared on the outside of a specimen obtained by oxidizing a parent metal of % pure aluminum.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)親金属の気相酸化剤との酸化反応生成物として得
られたセラミックマトリックスと、前記セラミックマト
リックスにて充填された充填材とを含む自己支持セラミ
ック複合材料の製造方法にして、 (a)第一の親金属供給源を気相酸化剤の存在下にて加
熱して溶融親金属の塊を形成し、前記溶融親金属を或る
温度に於て前記酸化剤と反応させ、これにより前記溶融
親金属の塊及び前記酸化剤に接触し且これらの間に延在
する状態にて酸化反応生成物を形成する工程と、 (b)酸化反応生成物が前記酸化剤と先に形成された酸
化反応生成物との間の界面に連続的に形成されるよう、
前記温度を維持して溶融金属を前記酸化反応生成物を経
て前記酸化剤へ向けて徐々に吸引する工程と、 (c)酸化反応生成物と随意の一種又はそれ以上の金属
成分とを含む多結晶材料を形成するに十分な時間に亙り
前記反応を継続させる工程と、(d)前記多結晶材料を
充填材として使用される粒状の大きさに低減し、前記粒
状充填材の浸透可能な塊を形成する工程と、(e)酸化
反応生成物の形成が前記粒状充填材の塊へ向けて該粒状
充填材の塊内へ生じるよう第二の親金属供給源及び前記
粒状充填材の塊を互いに他に対し配向する工程と、 (f)前記第二の親金属供給源について前記工程(a)
、(b)、及び(c)を繰返す工程と、 (g)酸化反応生成物が前記粒状充填材の塊の少なくと
も一部を充填し、これにより前記セラミック複合材料を
形成するに十分な時間に亙り前記反応を継続させる工程
とを含む自己支持セラミック複合材料の製造方法。
(1) A method for producing a self-supporting ceramic composite material comprising a ceramic matrix obtained as an oxidation reaction product of a parent metal with a gas-phase oxidizing agent, and a filler filled with the ceramic matrix, comprising: (a) ) heating a first parent metal source in the presence of a vapor phase oxidizing agent to form a mass of molten parent metal, reacting the molten parent metal with the oxidizing agent at a temperature, thereby forming an oxidation reaction product in contact with and extending between the mass of the molten parent metal and the oxidizing agent; (b) the oxidation reaction product is formed with the oxidizing agent first; oxidation reaction products, so that they are continuously formed at the interface between the oxidation reaction products and the
(c) maintaining said temperature and gradually drawing molten metal through said oxidation reaction product and toward said oxidizing agent; (d) reducing the polycrystalline material to a granular size for use as a filler and permeable mass of the granular filler; (e) forming a second parent metal source and the mass of particulate filler such that formation of an oxidation reaction product occurs toward and into the mass of particulate filler; (f) said step (a) for said second parent metal source;
, (b), and (c); and (g) for a sufficient time that the oxidation reaction product fills at least a portion of the mass of particulate filler, thereby forming the ceramic composite material. and continuing the reaction throughout.
(2)親金属の気相酸化剤との酸化反応生成物として得
られたセラミックマトリックスと、前記セラミックマト
リックスにて充填された充填材とを含む自己支持セラミ
ック複合材料の製造方法にして、 (a)第一の親金属アルミニウム供給源を酸化剤として
の空気の存在下にて且少なくとも一種のドーパント材と
の組合せにて加熱して溶融親金属の塊を形成し、前記溶
融親金属を実質的に850〜1450℃の温度に於て前
記酸化剤と反応させ、これにより前記溶融親金属の塊及
び前記酸化剤に接触し且これらの間に延在する状態にて
酸化反応生成物としてのアルミナを形成する工程と、 (b)酸化反応生成物が前記酸化剤と先に形成された酸
化反応生成物との間の界面に連続的に形成されるよう、
前記温度を維持して溶融金属を前記酸化反応生成物を経
て前記酸化剤へ向けて徐々に吸引する工程と、 (c)前記酸化反応生成物と随意の一種又はそれ以上の
金属成分とを含む多結晶材料を形成するに十分な時間に
亙り前記反応を継続させる工程と、 (d)前記多結晶材料を充填材として使用される粒状の
大きさに低減し、前記粒状充填材の浸透可能なプリフォ
ームを形成する工程と、 (e)酸化反応生成物の形成が前記プリフォームへ向け
て該プリフォーム内へ生じるよう第二の親金属アルミニ
ウム供給源及び前記プリフォームを互いに他に対し配向
する工程と、 (f)前記第二の親金属供給源について前記工程(a)
、(b)、及び(c)を繰返す工程と、 (g)酸化反応生成物が前記プリフォームを充填し、こ
れにより前記プリフォームの形状を有する前記セラミッ
ク複合材料を形成するに十分な時間に亙り前記反応を継
続させる工程とを含む自己支持セラミック複合材料の製
造方法。
(2) A method for producing a self-supporting ceramic composite material comprising a ceramic matrix obtained as an oxidation reaction product of a parent metal with a gas-phase oxidizing agent, and a filler filled with the ceramic matrix, comprising: (a) ) heating a first source of parent metal aluminum in the presence of air as an oxidizing agent and in combination with at least one dopant material to form a mass of molten parent metal; The oxidizing agent is reacted with the oxidizing agent at a temperature of 850 to 1450° C., so that alumina is produced as an oxidation reaction product in contact with and extending between the molten parent metal mass and the oxidizing agent. (b) such that an oxidation reaction product is continuously formed at the interface between the oxidizing agent and the previously formed oxidation reaction product;
(c) maintaining said temperature and gradually drawing molten metal through said oxidation reaction product and toward said oxidizing agent; and (c) said oxidation reaction product and optionally one or more metal components. (d) reducing the polycrystalline material to a granular size for use as a filler and allowing penetration of the granular filler; forming a preform; (e) orienting a second parent metallic aluminum source and the preform relative to each other such that formation of oxidation reaction products occurs toward and into the preform; (f) said step (a) for said second parent metal source.
, (b), and (c); and (g) for a sufficient time that the oxidation reaction product fills the preform, thereby forming the ceramic composite material having the shape of the preform. and continuing the reaction throughout.
(3)親金属の気相酸化剤との酸化反応生成物として得
られたセラミックマトリックスと、前記セラミックマト
リックスにて充填された充填材とを含む自己支持セラミ
ック複合材料の製造方法にして、 (a)前記酸化反応生成物の形成が第一の充填材の浸透
可能な塊へ向けて該充填材の塊内へ生じるよう第一の親
金属供給源及び第一の充填材の浸透可能な塊を互いに他
に対し配向する工程と、 (b)前記第一の親金属供給源を気相酸化剤の存在下に
て加熱して溶融親金属の塊を形成し、前記溶融親金属を
或る温度に於て前記酸化剤と反応させ、これにより前記
溶融親金属の塊及び前記酸化剤に接触し且これらの間に
延在する状態にて酸化反応生成物を形成する工程と、 (c)酸化反応生成物が前記酸化剤と先に形成された酸
化反応生成物との間の界面に連続的に形成されるよう、
前記温度を維持して溶融金属を前記酸化反応生成物を経
て前記酸化剤へ向けてまた前記第一の粒状充填材の塊内
へ徐々に吸引する工程と、 (d)酸化反応生成物と第一の充填材と随意の一種又は
それ以上の金属成分とを含む多結晶セラミック材料にて
前記第一の粒状充填材の塊の少なくとも一部を充填する
に十分な時間に亙り前記反応を継続させる工程と、 (e)前記多結晶セラミック材料を第二の充填材として
使用されるに適した粒状の大きさに低減し、前記第二の
充填材の浸透可能な塊を形成する工程と、 (f)酸化反応生成物の形成が前記粒状充填材の塊へ向
けて該粒状充填材の塊内へ生じるよう第二の親金属供給
源及び前記第二の充填材の塊を互いに他に対し配向する
工程と、 (g)前記第二の親金属供給源について前記工程(a)
、(b)、(c)、及び(d)を繰返す工程と、 (h)酸化反応生成物が前記第二の充填材の塊の少なく
とも一部を充填し、これにより前記セラミック複合材料
を形成するに十分な時間に亙り前記反応を継続させる工
程とを含む自己支持セラミック複合材料の製造方法。
(3) A method for producing a self-supporting ceramic composite material comprising a ceramic matrix obtained as an oxidation reaction product of a parent metal with a gas-phase oxidizing agent, and a filler filled with the ceramic matrix, comprising: (a) ) a first parent metal source and a permeable mass of the first filler such that the formation of the oxidation reaction product occurs toward and into the permeable mass of the first filler; (b) heating said first source of parent metal in the presence of a vapor phase oxidant to form a mass of molten parent metal, and bringing said molten parent metal to a temperature. (c) reacting with the oxidizing agent to form an oxidation reaction product in contact with and extending between the lump of the molten parent metal and the oxidizing agent; such that a reaction product is continuously formed at the interface between the oxidizing agent and the previously formed oxidation reaction product;
(d) maintaining said temperature to gradually draw molten metal through said oxidation reaction product toward said oxidizing agent and into said first mass of particulate filler; continuing the reaction for a time sufficient to fill at least a portion of the first particulate filler mass with a polycrystalline ceramic material comprising one filler and optionally one or more metal components; (e) reducing the polycrystalline ceramic material to a granular size suitable for use as a second filler to form a permeable mass of the second filler; f) orienting a second parent metal source and said second mass of filler relative to each other such that formation of oxidation reaction products occurs toward and into said mass of particulate filler; (g) said step (a) for said second parent metal source;
, (b), (c), and (d); and (h) an oxidation reaction product fills at least a portion of the second filler mass, thereby forming the ceramic composite material. and continuing the reaction for a sufficient period of time to provide a self-supporting ceramic composite material.
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